CN205324961U - 一种单管igbt工业级逆变空气等离子弧切割机 - Google Patents

Abstract

本实用新型是涉及一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，包括切割机的结构和电路，本实用新型切割机是一种三相380V供电，采用单管IGBT逆变控制技术，其额定电流/电压为65A/104V,额定负载持续率60%，本实用新型切割机控制电路板都采用了大量的表面贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺方法进行自动加工，故生产效率高、制作成本低，使得切割机的尺寸小，重量轻，且负载持续率较高，在切割机的结构和控制电路设计方面，本实用新型具有自己的特色。

Description

一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机

技术领域

本实用新型涉及一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，包括切割机的结构和电路设计，属于逆变焊割机技术领域。

技术背景

当前，等离子切割机产品市场的竞争十分激烈。产品技术先进、成本有优势的，市场的竞争力会较高。

目前，国内外市场上逆变式空气等离子弧切割机的额定电流通常在30A～100A（30～60%负载持续率）之间。国内此类切割机，很多是采用MOSFET管逆变控制技术来制作的。MOSFET管逆变切割机，需要采用很多的MOSFET管并联来扩大器件的电流。这就使切割机的电路板尺寸大、电路板和整机结构复杂，同时也存在着产品可靠性低、制作成本高等问题。目前，采用IGBT的逆变等离子切割机逐渐成为此类产品开发的重点。由于IGBT的电流等级大，不需要像MOSFET管那样，采用多管并联的方式来扩大其器件的电流，因此，产品的可靠性得以提高。同时，这种逆变电子开关器件数量的减少可使切割机的电路板尺寸变小，电路板和整机结构变得简单，同时产品的制作成本和工艺水平也得以提高。解决了MOSFET多管并联技术存在的诸多问题。体现了IGBT逆变控制技术的优势和发展前景。尽管IGBT逆变控制技术的等离子切割机已有不少产品，然而，不同的开发和设计思路，产品的成本等是不一样的。采用IGBT模块，固然切割机的额定输出电流和负载持续率可以好大，但是产品制作成本等也高，不利于市场竞争。采用单管IGBT，能够实现较大电流（如本实用新型65A）等级、高负载持续率（60%及以上）和可靠性的逆变切割机产品还是较少的。此类产品的控制技术水平是一大障碍。不同的产品制造企业，由于设计水平和成本的差异，产品的可靠性等性能也是存在较大差异的。

目前，MOSFET多管并联的等离子切割机，其内部采用上、中、下三控制板和整机布局结构，显得复杂和技术落后；采用单管IGBT逆变的切割机，有的采用单块电路板的内部结构设计形式。有的采用二板上、下控制板和整机布局结构。与MOSFET多管并联的等离子切割机相比，明显有了较大的技术进步。但是，上述这些逆变空气等离子切割机，受切割机电路和内部结构设计、功率器件散热条件及其冷却效果等因素的限制，使它们在较大电流输出（如65A）时其负载持续率难以做的很大，较短的工作时间就会出现切割机热保护。如不少切割机的负载持续率只有30~40%。如此短的切割时间，使不少客户相当不满意。甚至很多机器就是65A、60A的额定工作电流都达不到。另外，有的IGBT逆变切割机，由于大功率器件发热严重，甚至会烧坏电路板，使电路板无法修复，造成厂家或用户的较大经济损失。其次，不同的切割机产品，所采用的控制电路不同，产品的可靠性也有较大的差异性。市场上很多的切割机产品，由于工作可靠性差，经常损坏，也受到了很多用户的批评，甚至厂家失去了市场。再者，我国的切割机生产企业数量多，并且呈现小而分散的特点。由于企业的实力弱，产品的生产数量很少，没有能力采用大量的SMT贴片器件来实现切割机产品的自动化或规模化生产，因此，产品的生产效率低下，制作工艺水平往往是手工作业水平，显得十分落后。同时，也为产品的不可靠埋下了质量隐患。

虽然采用IGBT逆变控制电路构成的空气等离子弧切割机种类是比较多的。它们的电路和切割机内外部结构形式也是多种多样的。但是，不同的电路及其结构设计思路，所采用的具体电路形式和整个电路布置的方式是不同的。不仅如此，切割机的性能指标包括输出的电流/电压范围及其对应的负载持续率、绝缘等级、温升、制作工艺水平、产品的可靠性等也会表现出一些明显的差距。即使是在相同的产品参数性能指标下，由于具体电路及其切割机结构设计方面的不同，或者所采用的电子元器件的封装形式不同，因而电路板等元器件的装配、焊接和检测工艺水平、自动化程度等也会明显不同，这就会使逆变式空气等离子弧切割机这类电子产品电路板的尺寸、生产时安装的方便性、生产效率、生产成本、产品的成本等也会显著不同。例如，采用大量自动插件和SMT贴片器件的切割机，由于装焊这些器件通常采用先进、高效、适合于大批量自动化生产和检测的设备，所以，可极大地提高电路板或电子产品的生产效率，降低生产成本，增加产品的市场竞争力。

也就是说，逆变等离子切割机的结构和电路设计不同，其技术参数、使用性能、生产效率，甚至产品的外观和可靠性以及市场竞争力等是差别比较大的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，采用单管IGBT以及先进的逆变控制技术。所述的切割机，是一种三相380V供电，其额定电流/电压为65A/104V，额定负载持续率60%，不仅体积小，而且重量轻，携带十分方便。当然，通过切割机外形和电路布局结构设计的变化，利用本实用新型所述的切割机电路板及其相应的零部件还可形成其它系列的产品，扩大产品的应用范围，本实用新型切割机的电路和电路板及整机的结构设计合理，安装方便，故生产效率高、制作成本低。

为实现上述目的采用以下技术方案：

一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，包括外部部分和内部部分，其特征为，所述的内部部分主要分为上、下两层布局，其上层部分包括供电、输入整流、控制板部分；其下层部分包括主要为整流后滤波、逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气路控制；所述的上层部分包括：控制变压器、三相整流桥或桥堆、小弧控制板或线路板、高频板或高频控制板、主控制板，这些部件固定在切割机的中隔板上，各控制电路板位于上层部分，相当于被中隔板、左右侧板、顶盖组成的金属外壳包围，可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用；所述的下层部分包括：滤波电解电容、挡风板、单管IGBT、热保护器、小弧电磁阀、输出整流快恢复二极管、桥臂电容、主弧电磁阀、假负载、电抗、引弧线圈、磁环、快恢复二极管、逆变谐振电容、谐振电感、换向电感、绝缘板、逆变主变压器、霍尔传感器，下层主要集中大功率高发热量元件，通过中隔板与上层隔离，并与后面板的风道相通，形成快速冷却通道。

所述的外部部分包括切前面板和后面板，前面板上安装有：电源指示灯、过热保护指示灯、欠压/过压指示灯、切割/试气转换或检气开关、电流调节电位器；前面板与工件连接的切割工件正极性输出快速接头座或快速接头、等离子弧切割枪小弧接线柱、等离子弧切割枪开关的航空插座和等离子弧切割枪气电一体化输出接头；后面板上安装有：空气开关、空气滤清器、冷却风扇，冷却风机设置在后面板下部，使冷风从切割机机箱后部的进气孔进行，可使下层部分的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果。

在本实用新型各个控制电路板上，还有大量的其它电子元器件和零部件。各个控制电路板上，只有少量尺寸大的元器件和零部件需要生产人员手工装配和焊接。其它很多SMT贴片式或插件式电子元器件，都是采用高效率的贴片机和插件机、自动焊接机和清洗机自动完成器件安装、焊接和清洗的。因此，各个电路板的生产效率很高，出错率低，制作质量都比较高，最终可使切割机产品生产时的一次合格率很高。降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力。

本实用新型切割机的工作原理简述如下：通电后，电源开关接通电网电源。相应的控制变压器、各控制板等电路部分带电工作。从电网来的交流电，经过整流桥整流后变为直流电。再经过电解电容的滤波，变为较为稳定的直流电，供给由单管IGBT组件、逆变变压器、快速恢复二极管组件、滤波电感、换向电感、谐振电感等组成的逆变主电路。通过切割机前面板上的试气检测/切割转换开关，可检测切割机的气体压力是否正常，有没有漏气等现象。如果检测正常，则通过该开关转换到准备切割的工作状态。压缩空气的气压和流量可通过空气滤清器设定。当气压足够的时候，才能使切割机进行正常工作，防止压缩空气的气压或流量不足烧坏等离子切割枪。

切割时，按压等离子切割枪上的开关，即可实现等离子小电流的引导弧（简称小弧）点火，无需接触工件。当切割枪去切割工件时，切割枪的电极与工件间可形成大电流的切割等离子弧（简称主弧），实现对工件的切割操作。引弧高频需要在其控制电路板、高压电容、高压包、（高频耦合）引弧线圈等作用下才能形成。逆变和切割机输出电流参数的控制是通过电路板的控制电路、电流给定电位器、霍尔传感器和霍尔传感器B等来实现的。切割机电源的输出外特性为垂直陡降或恒流输出特性。该输出特性是通过输出电流的截止负反馈和逆变电路IGBT的PWM脉冲宽度调节来实现的。电流输出的大小由电位器进行调节和设定。霍尔传感器对输出电流进行采样。可对小弧、主弧电流等进行相应的控制。例如，对于主弧电流控制，在电路板的控制作用下，当检测到的输出电流大小超过电位器的设定值时，主控制板产生的PWM脉冲的宽度会减小。随着输出电流的微小增加，PWM脉冲宽度大幅度减小，这样就实现了电流微小增加，输出电压快速下降，即切割机产生垂直陡降或恒流输出特性。调节电位器即可调节切割机的输出电流大小，实现对不同厚度工件的切割操作。关于反馈和PWM及输出特性控制过程，以及其它的控制电路部分，可参见本说明书中相关的控制原理说明进行了解。此外，当切割机中主要零部件（如IGBT、变压器）发生过热、欠压、过压现象时，控制电路会关闭PWM脉冲输出，同时，切割机停止电流输出，并使过热、欠压、过压指示灯（黄色）点亮。对于过热，在冷却风机的作用下，当主要零部件（如IGBT散热器）的温度下降到一定程度后，控制电路才能产生PWM脉冲输出。同时，切割机才可能有电流输出，同时过热指示灯（黄色）熄灭。对于欠压、过压，只有当消除了这两种现象后，控制电路才能允许切割机进行正常工作。这就确保了切割机工作的可靠性。

本实用新型空气等离子弧切割机采用先进的逆变控制技术制成，是一种三相380V供电，其额定电流/电压为65A/104V，不仅体积小，而且重量轻，携带十分方便。当然，通过切割机外形和电路布局结构设计的变化，利用本实用新型所述的切割机电路板及其相应的零部件还可形成其它系列的产品，扩大产品的应用范围。如三相380V供电的60A/50A切割机；通过改变一些零部件和电路设计，开发单相220V供电的40A切割机等。此外，电路板制作时其电子元器件还采用了自动SMT贴片或插件、焊接先进工艺技术。产品具有技术先进、结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高等优点。

附图说明

附图1本实用新型等离子切割机的爆炸图；

附图2本实用新型等离子弧切割机主电路部分的电路原理图；

附图3本实用新型等离子切割机的控制板接线框图；

附图4a本实用新型等离子切割机的主控制电路原理图a；

附图4b本实用新型等离子切割机的主控制电路原理图b；

附图4c本实用新型等离子切割机的主控制电路原理图c；

附图5本实用新型等离子切割机的小弧控制电路原理图；

附图6本实用新型等离子切割机的高频引弧控制电路原理图。

具体实施方式

如图1-6所示，本实用新型等离子弧切割机主要由以下部分组成：提手1、上盖2、上盖螺丝3、左侧板4、小弧控制板或线路板7、小弧控制板或线路板上的单管IGBT6及其散热器5、36V/18V控制变压器8、高频板或高频控制板9、高频板或高频控制板上的高压电容10和高压包12、中隔板11、主控制板13，主控制板13上7915稳压器的散热器14、供电滤波电容15、驱动变压器16、7815稳压器的散热器17、控制变压器18、三相整流桥或桥堆19、空气开关21及其支架20、供电电源线22及其拉不脱23、空气滤清器25及其支架24、冷却风扇防护网罩27、右侧板28、后面板29、冷却风扇30、滤波电解电容31、电路底板32、电路底板的绝缘板33、右侧挡风板34、单管IGBT35、IGBT散热器36、热保护器37、小弧电磁阀B38、输出整流快恢复二极管散热器39、桥臂电容40、绝缘板A41、气管42、主弧电磁气阀A43、机箱底板44、假负载45、电抗46、引弧线圈47、磁环A48、磁环B49、磁环C50、磁环D51、快恢复二极管吸收板52、快恢复二极管53、逆变谐振电容54、谐振电感55、换向电感56、绝缘板57、逆变主变压器58、霍尔传感器A59、电源指示灯60、过热保护指示灯61、欠压/过压指示灯62、检气开关63、电流调节电位器64、前面板65、与工件连接的快速接头66、小弧接线柱67、切割枪开关的航空插座68、气电一体化输出接头69、霍尔传感器B70等，切割机的内部主要分为上、下两层布局；从电路功能来分，其上层部分主要为供电、输入整流、控制板部分；其下层部分主要为整流后滤波、逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气路控制等部分。

所述的上层部分，主要包括：控制变压器18、三相整流桥或桥堆19、小弧控制板或线路板7含小弧控制板或线路板上的单管6及其散热器5、36V/18V控制变压器8等元器件和零部件、高频板或高频控制板9含高频板或高频控制板上的高压电容10和高压包12等元器件和零部件、主控制板13含主控制板上7915稳压器的散热器14、供电滤波电容15、驱动变压器16、7815稳压器的散热器17等元器件和零部件等。这些部分固定在切割机的中隔板11上。与下层部形成隔离。各控制电路板位于上层部分，相当于被中隔板、左右侧板、顶盖组成的金属外壳包围。可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用。

所述的下层部分，主要包括：滤波电解电容31、电路底板32、电路底板的绝缘板33、右侧挡风板34、单管IGBT35、IGBT散热器36、热保护器37、小弧电磁阀B38、输出整流快恢复二极管散热器39、桥臂电容40、绝缘板A41、气管42、主弧电磁气阀A43、机箱底板44、假负载45、电抗46、引弧线圈47、磁环A48、磁环B49、磁环C50、磁环D51、快恢复二极管吸收板52、快恢复二极管53、逆变谐振电容54、谐振电感55、换向电感56、绝缘板57、逆变主变压器58、霍尔传感器A59、霍尔传感器B70等部分。

切割机的前面板65上安装的零部件主要有：电源指示灯60白色、过热保护指示灯61黄色、欠压/过压指示灯62黄色、切割/试气转换或检气开关63、电流调节电位器64及其旋钮、前面板65、与工件连接的切割工件正极性输出快速接头座或快速接头66、等离子弧切割枪小弧接线柱67、等离子弧切割枪开关的航空插座68、等离子弧切割枪气电一体化输出接头69。

切割机的后面板29上安装的零部件主要有：空气开关21及其支架20、供电电源线22及其拉不脱23、空气滤清器25及其支架24、冷却风扇防护网罩27、冷却风扇30、接地保护端子及其接地标识等部分。冷却风机使冷风从切割机机箱后部的进气孔进行。可使下层部分的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果。这样的风道和冷却方式设计，也是本实用新型空气等离子弧切割机实现较大电流和高负载持续率的重要原因之一。

在本实用新型各个控制电路板上，还有大量的其它电子元器件和零部件。各个控制电路板上，只有少量尺寸大的元器件和零部件需要生产人员手工装配和焊接。其它很多SMT贴片式或插件式电子元器件，都是采用高效率的贴片机和插件机、自动焊接机和清洗机自动完成器件安装、焊接和清洗的。因此，各个电路板的生产效率很高，出错率低，制作质量都比较高，最终可使切割机产品生产时的一次合格率很高。降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力。

本实用新型切割机的工作原理简述如下：通电后，电源开关21接通电网电源。相应的控制变压器18和8、控制板7，9，13等电路部分带电工作。从电网来的交流电，经过整流桥19整流后变为直流电。再经过电解电容31的滤波，变为较为稳定的直流电，供给由多个单管IGBT组件含IGBT及其散热器36、桥臂电容40等、逆变变压器58、快速恢复二极管组件含快速恢复二极管53及其散热器39、快速恢复二极管吸收板52、磁环A48、磁环B49、磁环C50、磁环D51等、换向电感56、谐振电感55等组成的逆变主电路。通过切割机前面板65上的试气检测/切割转换开关63，可检测切割机的气体压力是否正常，有没有漏气等现象。如果检测正常，则通过该开关63转换到准备切割的工作状态。压缩空气的气压和流量可通过空气滤清器25设定。当气压足够时，才能使切割机进行正常工作，防止压缩空气的气压或流量不足烧坏等离子切割枪。切割时，按压等离子切割枪上的开关，即可实现等离子小电流的引导弧简称小弧点火，无需接触工件。当切割枪去切割工件时，切割枪的电极与工件间可形成大电流的切割等离子弧简称主弧，实现对工件的切割操作。引弧高频需要在其控制电路板9、高压电容10、高压包12、高频耦合引弧线圈47等作用下才能形成。逆变和切割机输出电流参数的控制是通过电路板13的控制电路、电流给定电位器64、霍尔传感器59和霍尔传感器B70等来实现的。通过一个霍尔传感器，获得输出电流控制所需要的电流负反馈控制信号Uif。通过另一个霍尔传感器，获得小弧与主弧转换的控制信号。切割机电源的输出外特性为垂直陡降或恒流输出特性。该输出特性是通过输出电流的截止负反馈和逆变电路IGBT的PWM脉冲宽度调节来实现的。电流输出的大小由电位器64进行调节和设定。霍尔传感器对输出电流进行采样。可对小弧、主弧电流等进行相应的控制。例如，对于主弧电流控制，在控制电路作用下，当检测到的输出电流大小超过电位器64的设定值时，主控制板13产生的PWM脉冲的宽度会减小。随着输出电流的微小增加，PWM脉冲宽度大幅度减小，这样就实现了电流微小增加，输出电压快速下降，即切割机产生垂直陡降或恒流输出特性。调节电位器64即可调节切割机的输出电流大小，实现对不同厚度工件的切割操作。关于反馈和PWM及输出特性控制过程，以及其它的控制电路部分，可参见本说明书中相关的控制原理说明进行了解。此外，当切割机发生过热、欠压、过压现象时，控制电路会关闭PWM脉冲输出，同时切割机停止电流输出，并使过热、欠压、过压指示灯（黄色）点亮。对于过热，在冷却风机的作用下，当主要零部件（如IGBT散热器）的温度下降到一定程度后，控制电路才能产生PWM脉冲输出。同时，切割机才可能有电流输出，同时过热指示灯（黄色）熄灭。对于欠压、过压，只有当消除了这两种现象后，控制电路才能允许切割机进行正常工作。这就确保了切割机工作的可靠性。

附图2是本实用新型等离子弧切割机主电路部分的电路原理图。附图3是本实用新型等离子切割机的控制板接线框图。附图2和附图3给出了本实用新型等离子切割机的主电路和一些控制板之间的电气连接关系图。附图4是本实用新型等离子切割机的主控制电路原理图。附图5是本实用新型等离子切割机的小弧控制电路原理图。附图6是本实用新型等离子切割机的高频引弧控制电路原理图。附图4～附图6则是附图3中一些电路板的具体电路原理图。下面，结合本实用新型的各控制电路原理图，对本实用新型等离子切割机的工作原理作进一步的说明。

附图2中，S1为控制输入电源通断的空气开关21。1C1～1C3为输入抗干扰电容。ZLQ为三相整流桥或桥堆19。KB1为控制变压器18。FS为冷却风扇30。1C6～1C9为滤波电解电容31。4只单管IGBT（根据设计需要，还可以采用8只，两个为一组，并联使用）。L2为滤波电感46。1L1为谐振电感55。L3为换向电感56。HGQ为电流环或电流互感器。1C13为谐振电容54。1L2为输出电抗。T2为引弧线圈47。HE1和HE2为两个霍尔传感器。T1为逆变主变压器58。T1右边的8个二极管代表快速恢复二极管53。实际是采用多只D75E60来实现。也可以采用其它的恢复二极管来实现。本电路部分的工作原理和一些器件的作用如下：从电网来的交流电，连接至L1～L3。通电后，电源开关21接通电网电源。L2滤波电感46可起到上电缓冲的作用，减少浪涌电流对开关等器件的冲击电流。相应的控制变压器（如KB1等，18和8、冷却风扇FS30）、控制板等电路部分带电工作。从电网来的交流电经过整流桥ZLQ19整流后变为直流电。再经过1C6～1C9电解电容31的滤波，变为较为稳定的直流电，供给由IGBT1～IGBT4、桥臂电容1C10～1C12、逆变变压器T158、快速恢复二极管53、换向电感56、谐振电感55等组成的全桥逆变主电路。其功能主要为：高压直流电转换为中频（几十KHz）交流电。即通过控制IGBT1～IGBT4的通断，实现直流到交流的逆变控制。具体电路实现方式：在控制板产生的PWM脉冲宽度调制信号的控制作用下，IGBT驱动控制电路实现对IGBT的驱动控制，最终通过全桥逆变电路实现由直流到几十KHz交流的变换。通过逆变变压器T1实现电流和电压的变换，即逆变主变压器T1实现降压、变流。最后，再通过输出整流控制部分把几十KHz交流的低压、大电流信号整流变换为等离子切割所需要的直流，便于引弧和切割。切割前，切割机的正极输出端连接至工件。负极性输出端连接至切割枪。小弧接线柱连接至切割枪的引弧连接线，实际上是连接至切割枪的喷嘴。小弧电流就是产生于切割枪喷嘴与切割枪钨极之间电弧的电流。小弧的作用是便于主弧的产生。主弧电流则是指工件与切割枪钨极之间形成电弧的电流。附图2中，1R3～1R6、1C14～1C7电容布局在快速恢复二极管吸收板52上。起到保护快速恢复二极管的作用。多个磁环（如磁环A、B等）套入相应的连接线中，起到抗干扰的作用。1L2为输出电抗起到对输出电流进行滤波的作用。HE1和HE2两个霍尔传感器用于检测电流。通过HE2霍尔传感器，获得输出电流控制所需要的电流负反馈控制信号Uif。通过HE1霍尔传感器，获得小弧与主弧转换的控制信号。HGQ电流环或电流互感器用于检测逆变变压器初级电流，用于过流保护控制。T2引弧线圈47则用于把高频引弧控制电路产生的高频高压引入切割机的输出回路，实现高频引弧。1R9为假负载，包括引弧小板电路部分，主要是实现小弧控制，以及实现输出抗干扰、过压保护等。

附图4中，右上角的N11～N13分别为稳压器。它们与外围的一些器件共同组成直流稳压电源电路。负责产生+24V、+5V、+15V、-15V电源电压。供给相关的控制电路工作使用。直流稳压电源电路的交流供电电源来自KB1控制变压器18。P-LED为电源指示灯，安装在焊机前面板上。当控制电路产生+24V后，P-LED电源指示灯点亮，指示切割机带电工作。

附图4中，N4A运算放大器、N7A和N7B触发器、N6门电路、N9和N10时基电路、Q6～Q13场效应管、TR1和TR2驱动变压器，以及它们周围的好多器件组成本实用新型等离子弧切割机IGBT的驱动控制电路。由于UC3846芯片输出的信号，驱动功率小，故需要经过IGBT的驱动控制电路进行放大，再通过驱动变压器及其外围的驱动电路去控制IGBT的工作状态。该电路的输出端子G1～G4、E1～E4分别连接附图2中主电路的IGBT控制端。IGBT驱动电路的输入控制信号主要来自UC3846PWM脉冲宽度控制芯片的AOUT和BOUT端。当然，输出端子G1～G4、E1～E4控制信号还受过热保护控制电路、欠压、过压保护控制电路等控制。如果没有过流、过热、欠压、过压现象发生，则本实用新型等离子弧切割机会根据操作和控制的需要，由UC3846芯片的AOUT和BOUT端输出PWM脉冲宽度控制信号，通过该驱动电路，去控制逆变主电路中IGBT的工作状态，实现本实用新型等离子弧切割机小弧电流和主弧电流的控制。如果有过流、过热、欠压、过压现象中某一现象发生，则附图4的控制电路会关闭端子G1～G4、E1～E4控制信号输出，使IGBT停止工作。并且切割机不输出电压和电流。

附图4中，UC3846芯片及其外围器件组成的电路，是决定本实用新型等离子弧切割机输出参数的核心电路。UC3846芯片输出的AOUT和BOUT端输出PWM脉冲宽度控制信号是一组方波脉冲信号。方波脉冲信号有一个固定的频率（几十KHz）。还有两组脉冲信号之间有死区时间控制。这些是保障IGBT开关工作的重要参数之一。它们是通过UC3846芯片的外围器件参数设置而确定的。至于如何确定，需要查看UC3846的相关使用资料或说明。介于篇幅的关系，这里不再重复说明。这里需要说明的是：PWM脉冲宽度调制信号是决定切割机逆变主电路输出电压和电流大小的信号。PWM脉冲宽度调制信号由电流给定信号和电流负反馈控制信号大小决定。当然，正如前面所说，还与工作时有没有过流、过热、欠压、过压现象发生。

附图4中，由温度继电器或WJ热保护器37、过热指示灯61OH-LED、Q2场效应管、二极管V1、V9、V15、V37、电阻R11、R100、R13、R41、R53、电容C4、C66、C27组成。热保护器或温度继电器WJ是常闭的。安装在IGBT模块散热器36上。当IGBT模块散热器温度较低时，WJ不动作。OH-LED过热指示灯61不会点亮。同时，通过V1的钳位作用，使Q2不会动作。这样，不会影响UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。但是，当IGBT模块散热器较高时，WJ动作。OH-LED过热指示灯61（黄色，安装在焊机前面板上）会点亮。+15V通过V9会使Q2动作。通过V15的钳位作用，会关闭UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。使切割机停止输出电流和电压。只有当散热器充分冷却后，WJ重新恢复为常闭状态，才能使UC3846输出PWM脉冲宽度调制信号，最终使切割机输出电流和电压。以上就是本实用新型切割机控制电路过热保护控制的工作原理。

附图4中，XS1插头连接至逆变主电路中的HGQ电流环或电流互感器。当HGQ检测到过大的电流信号时，表明逆变主电路中出现过流现象。此时，过流信号通过R29会关闭UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。使切割机停止输出电流和电压。只有过流现象消除，才能使UC3846输出PWM脉冲宽度调制信号，最终使切割机输出电流和电压。以上就是本实用新型切割机控制电路过流保护控制的工作原理。

附图4中，中间下方的N2D、N2A运算放大器、UV-LED和OV-LED过压/欠压指示灯，以及它们周围的一些电阻、电容和二极管等组成切割机的过压/欠压保护控制电路。N2D、N2A运算放大器组成的电路是两个典型的电压比较器。基准电压是+5V。通过R44输入到两个比较器。+15V经过R30和R42电阻分压后输入N2D比较器。+24V经过R8和R21电阻分压后输入N2A比较器。如果出现欠压现象，15V电压会较低，N2D比较器输出高电平，通过V7使Q1场效应管导通，过压/欠压指示灯会点亮。同时，高电平信号通过V10，可关闭UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。只有欠压现象消除，才能使UC3846输出PWM脉冲宽度调制信号，最终使切割机输出电流和电压。类似地，如果出现过压现象，24V电压会较高，N2A比较器输出高电平，通过V8使Q1场效应管导通，过压/欠压指示灯会点亮。同时，高电平信号通过V12，可关闭UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。只有过压现象消除，才能使UC3846输出PWM脉冲宽度调制信号，最终使切割机输出电流和电压。以上就是本实用新型切割机控制电路过压/欠压保护控制的工作原理。

本实用新型切割机的电弧电流，涉及小弧和主弧电流两个方面。控制也是各自实现的。切割机前面板上的小弧接线柱，是需要连接至切割枪的引弧连接线的。实际上就是连接至切割枪的喷嘴。

附图4中，右下角V3～V6、SA2开关等部分，是切割枪开关控制电路。通过XS6插头连接至切割枪的手开关。其电路中开关外围的一些电容为抗干扰电容。主要是防止干扰信号通过枪开关电路进入其它控制电路，干扰切割机的正常工作。从图中可以看出，如果枪开关没有闭合，ZD2稳压管是不会击穿、稳压的，这样N3光耦中的二极管就不会发光。其N3-B三极管就不会导通。就会影响附图4中左下角部分继电器和电磁气阀等电路部分的工作。

本实用新型切割机的引弧采用高频高压引弧方式。附图6是高频高压引弧控制电路。图中，通过CON1插头，分别连接至XS10-1（90号线）和XS10-2（68号线）；通过CON2插头，分别连接至引弧线圈T2（实际上是一个升压变压器）的98号线和99号线。由于T2串联在逆变主电路的次级整流输出回路中，故通过T2，可把高频高压引弧控制电路产生的高频高压信号引入到切割枪中，实现小弧的电弧引燃。实际工作中，当按下切割枪开关后，附图4中左下角部分KD2-A继电器会动作，XS10-1（90号线）和XS10-2（68号线）之间会形成110VAC的交流电压。此电压经过V1~V4整流变换后，获得直流电压。通过ZD1和SCR1的控制，可使高压包B1的初级获得输入电压。经过B1高压包的一次升压作用，在B1高压包的次级获得更高的电压。此电压会对C5和C6高压电容进行充电。当C5和C6两端的电压达到FDQ火花放电器气隙击穿电压时，FDQ火花放电器的两个放电器之间会形成击穿放电现象。此时，C5和C6以及T2的初级之间构成一个振荡回路，会产生高频高压信号。该信号再经T2升压变压器，可获得更高的高频高压信号。依据此电压可击穿切割枪喷嘴与切割枪钨极之间气隙，同时，在输出电流等控制电路的作用下，形成小弧电流。一旦切割枪与工件靠近，由于有小弧的存在，很容易使切割枪钨极与工件之间形成主弧电流。小弧电流就是指产生于切割枪喷嘴与切割枪钨极之间电弧的电流。小弧的作用是便于主弧的产生。主弧电流则是指工件与切割枪钨极之间形成电弧的电流。小弧就是专业上指的非转移型电弧，而主弧就是专业上指的转移型电弧。非转移型电弧的存在很容易形成转移型电弧。这就为切割过程的正常进行创造了条件。

附图4中，N14芯片CD4053是多路电子控制转换开关。切割机的控制电路带电工作后，其默认状态是：N14芯片的14脚与12脚连通；15脚与2脚连通；4脚与5脚连通。其11脚为低电平。从附图4中可以看到，当14脚与12脚连通时，+15V通过R81可以对C38电容充电，使其储存电能。4脚与5脚连通时，+15V通过R81可使V37和V38二极管导通。当V37导通后，Q2场效应管导通，于是，通过V15二极管的箝位作用，关闭UC3846的PWM脉冲宽度调制信号输出。这样，切割机不会有输出电压。当V38导通后，“77”点是高电平，附图5中，N1D运算放大器将输出高电平，A945三极管将截止；N1A运算放大器将输出低电平，后级TLP光耦器件中二极管不会发光，后级Q1和Q2IGBT也不会导通，这样X1与X2之间就不会短接。由于没有按下切割枪开关，自然电磁气阀和高频引弧等都不会动作，因此，也不会形成小弧电流。但是，当连接好气源、气路，并按下切割枪开关后，情况就会完全不同了。

当按下切割枪开关SA2（见附图4中右下角），ZD2稳压管会击穿、稳压，这样N3光耦中的二极管就会发光。其内部的三极管（见附图4中左下角）N3-B导通。而附图4中N5光耦中的二极管，有+24V就会发光。因此，其内部的三极管（见附图4中左下角）N5-B也是导通的。N3-B和N5-B导通后，+15V高电平信号，通过R55，一方面，使N14芯片的11脚由低电平转变为高电平，N14芯片的14脚与13脚连通；N14芯片的4脚与3脚连通，Q15场效应管导通，继电器KD2-A动作，KD2-B和KD2-C闭合，110VAC电压通过XS10-1和XS10-2输入到高频引弧控制电路，最终产生高频高压引弧。另一方面，通过V18使场效应管Q14导通，继电器KD1-A动作，其触头KD1-B和KD1-C（见附图4右上角）闭合，使电磁气阀DF2-2动作。有压缩空气进入到切割枪中，为产生小弧创造好条件。同时，V37截止，由于没有过热现象发生，V9也是截止的。这样，Q2场效应管也截止或不导通。于是，V15也不导通，UC3846将产生PWM脉冲宽度调制信号输出。这样，切割机就会有输出。V38不导通，“77”点是低电平，D3和D8也不导通。附图5中，N1D运算放大器将输出低电平，A945三极管将有集电极电流；N1A运算放大器将输出高电平，后级TLP光耦器件中二极管会发光，后级Q1和Q2IGBT不会导通，这样X1与X2之间就会短接。在高频引弧等控制电路作用下，也就会形成小弧电流。

附图5是小弧控制板电路原理图。图中，直流稳压电源电路由KB2控制变压器、ZL整流桥、N3（7815）和N2（7915）三端稳压器及其外围的很多电容组成。其作用是产生+15V和-15V直流电压，供给控制电路和器件工作使用。N1A、N1B、N1C是三个电压比较器；N1D是电压跟随器。它们都是由运算放大器构成的电路。“83”点接至HE1主弧霍尔传感器的采样信号。有主弧电流形成时，该传感器才能检测到电流信号。“41”接至附图4中RP1电流调节电位器的中点。“77”和“78”点分别接至附图4中左下角电磁气阀控制电路部分。“77”点电平，受控于附图4的左下角等部分电路。当V38二极管导通时，“77”点为高电平；当V38二极管不导通或截止时，“77”点为低电平。“78”点电平，受控于附图5中N1B运算放大器的输出。当N1B运算放大器输出高电平时，“78”点为高电平。N1C输出低电平，D6不导通。可使附图4中左下角电路中Q5三极管导通。同时，使Q4场效应管截止，继电器KD3-A不动作，KD3-C不闭合，电磁阀DF2-3不动作。这种情况，是切割机主弧没有形成时的情况，也就是HE1主弧霍尔传感器没有检测到电流信号或“83”点电平为低电平的情况。反之，当主弧形成时，HE1主弧霍尔传感器立即就可以检测到电流信号，于是，“83”点电平由低电平转换为高一些的电平，使N1B运算放大器输出低电平。N1C输出高电平，D6导通。N1D也输出高电平，A945截止。“41”点电位完全由附图4中的RP1输出电流调节电位器决定。同时，“78”点为低电平。可使附图4中左下角电路中Q5三极管不导通或截止。同时，使Q4场效应管导通，继电器KD3-A动作，KD3-C闭合，电磁阀DF2-3动作。

当主弧形成时，由于N1B运算放大器输出低电平，同时，附图4中N14（CD4053）的5脚电平转换为低电平，V37和V38二极管都截止或不导通，“77”点电平为低电平，D3和D8是截止的，因此，N1A运算放大器输出低电平。后级TLP光耦器件中二极管不会发光，后级Q1和Q2IGBT也会截止或不导通，X1与X2之间就不会短接。这样小弧就会被自动切断。

附图4中，RP1是切割机的电流调节电位器。VR1和VR2是切割机输出主弧电流的校正调节电位器。RP1电位器的中点还与附图5中小弧控制电路中的“41”点进行连接。当附图5中的A945截止时，所控制的输出电流为主弧电流；当附图5中的A945没有截止时，所控制的输出电流为小弧电流。即“41”点电位的作用是：与附图5中的VR1等电路配合，共同控制切割机输出电流为小弧时的电流。N1D运算放大器及其外围器件组成的电路为PI控制电路。是本控制板上的切割机输出参数反馈控制的核心电路之一。由附图4可见，RP1电流调节电位器给出的Ug电流给定信号通过R5、N1A组成的同步跟随器等输入到PI运算放大器的输入一端。HE2霍尔传感器，是检测小弧和主弧电流的传感器。检测到的“45A”点信号为切割机输出电流控制负反馈Ufi信号。它（主弧没有形成时）可能是小弧的，也可能是主弧的（主弧形成时）。电流负反馈Ufi信号再通过N1B运算放大器等组成的电路输入到N1D运算放大器及其外围器件组成的PI（比例积分）控制电路的输入端，与电流给定信号（可能是小弧电流给定信号，也可能是主弧电流给定Ug信号）进行比较。之后，比较后的差值信号，经过PI（比例和积分）控制电路环节，N1D运算放大器输出的Uk控制信号决定着UC3846芯片输出的PWM脉冲信号的时间宽度或占空比，决定切割机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。当切割电流给定信号不变时，随着切割机电路检测到的电流增加，并且，达到给定的设定值后，切割电流给定信号与电流负反馈控制信号的差值会随电流增加而减小，通过PI控制后，使切割机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比减小，切割机的输出电压降低。这一过程，也就是所谓的电流截止负反馈控制。即只有当电流达到电流电位器的设定值后才起作用的反馈控制。此后，随着电流微小的增加，电压降低会很多。当电压下降到一定数值以下时，随着电压的降低，控制电路可使切割机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比基本不变，使切割电流按照设定的参数保持稳定，最终形成恒流的下降特性。当切割电流给定信号变化时，电流截止负反馈设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在电位器设定的最小和最大给定信号之间，就可获得无数条下降特性曲线。或者说，当电流给定信号和电流负反馈Ufi信号发生变化时，就会使PWM脉冲信号的时间宽度发生改变，最终通过全桥逆变主电路，实现切割机输出电压和电流的变化，以满足空气等离子弧切割的小弧或主弧电流控制，或输出特性控制的要求。关于电流的反馈和PWM及输出特性控制过程，可参见其它相关的控制原理说明作进一步的了解。实际测试结果表明：本实用新型切割机，小弧电流大约为25A-30A（安培）。主弧电流可达65A。

以上是本实用新型切割机各个电路板部分的简要控制过程说明。由于本实用新型已经给出了附图1~附图6的详细结构设计和电路原理图，因此，对于有逆变切割机结构和电路阅读能力（或具备相关知识）的人来说，是完全可以读懂的。电路图就是一种无声的语言。但是，对于没有电路阅读能力（或不具备相关电路知识）的人来说，即使解释的再多，他们也是难以理解的。鉴于篇幅的关系，本文只能阐述主要的部分，以使读者能够更好地理解相关的工作原理和过程。

通过上述说明可见，本实用新型有自己独特的设计思路和方法。不仅实现了切割机的输出、气路等控制，而且所设计的控制电路，包括它们的电路板和相互之间的连接关系，以及切割机的整机结构设计，都是使本实用新型切割机产品具有结构紧凑、控制性能良好的根本原因所在，也是满足产品高效和低成本生产、高可靠性、制造工艺技术先进性的重要保障。本实用新型专利申请保护的内容就在于保护这种切割机的结构和电路设计。

此外，本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且还采用了大量的SMT贴片和插件生产等先进技术和制作工艺，因而具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高、制造技术先进等优点；通过改变不同模块的配置规格和参数，即可改变切割机的输出电流或功率及负载持续率的大小，容易形成符合国家和国际标准的系列化产品。例如，制成三相380V供电的60A/50A切割机；通过改变一些零部件和电路设计，开发单相220V供电的40A切割机等产品。

良好的电路及其结构设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。本实用新型专利申请保护的内容就在于保护这种切割机的结构和电路设计。

以上内容是结合具体的切割机结构和电路板及控制功能对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只限于这些说明。对本实用新型所述技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，这些都应该视为属于本实用新型保护的范畴。

Claims (2)

1.一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，包括外部部分和内部部分，其特征为，所述的内部部分主要分为上、下两层布局，其上层部分包括供电、输入整流、控制板部分；其下层部分包括主要为整流后滤波、逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气路控制；所述的上层部分包括：控制变压器、三相整流桥或桥堆、小弧控制板或线路板、高频板或高频控制板、主控制板，这些部件固定在切割机的中隔板上，各控制电路板位于上层部分，相当于被中隔板、左右侧板、顶盖组成的金属外壳包围，可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用；所述的下层部分包括：滤波电解电容、挡风板、单管IGBT、热保护器、小弧电磁阀、输出整流快恢复二极管、桥臂电容、主弧电磁阀、假负载、电抗、引弧线圈、磁环、快恢复二极管、逆变谐振电容、谐振电感、换向电感、绝缘板、逆变主变压器、霍尔传感器，下层主要集中大功率高发热量元件，通过中隔板与上层隔离，并与后面板的风道相通，形成快速冷却通道。

2.如权利要求1所述的一种单管IGBT工业级逆变空气等离子弧切割机，其特征在于：所述的外部部分包括切前面板和后面板，前面板上安装有：电源指示灯、过热保护指示灯、欠压/过压指示灯、切割/试气转换或检气开关、电流调节电位器；前面板与工件连接的切割工件正极性输出快速接头座或快速接头、等离子弧切割枪小弧接线柱、等离子弧切割枪开关的航空插座和等离子弧切割枪气电一体化输出接头；后面板上安装有：空气开关、空气滤清器、冷却风扇，冷却风机设置在后面板下部，使冷风从切割机机箱后部的进气孔进行，可使下层部分的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果。